Materialien für die Zukunft
Forschung am Paul Scherrer Institut
Materialproben werden am PSI beispielsweise mit Röntgenstrahlen untersucht, wie hier im Falle leitfä higer Polymere, die Ausgangsmaterial sind z.B. für künftige Transistoren, Solarzellen oder Leuchtdioden.
Inhalt 5 Materialien bestimmen den Fortschritt
18 Spintronik für schnelle Computer
18 Spin trägt Information
6 Röntgenstrahlen als Mikroskop
19 Nur am PSI langsam genug
6 Katalysatoren beschleunigen
7
Langer Zeithorizont
20 Die Kabel der Zukunft
7
Reaktionen beobachten
20 Supraleiter im Einsatz
21 Dem Phänomen auf der Spur
8 Lithiumionen-Batterien
8 Lebensdauer ist beschränkt
22 Magnete unter Spannung
9 Einzigartige Kombination
22 Eigenschaften kombinieren
23 Die Forschung steht am Anfang
10 Brennstoffzellen für das Auto
10 Kunststoffmembran trennt
11 Neutronen-Imaging
12 Katalysatoren für Energie und Umwelt
24 Auf die Details im Innern kommt es an
25 Perfekte Kristalle züchten
25 Dünne Schichten schaffen Abhilfe
12 Vom Kraftwerk zum Auto
26 Die Werkzeuge der Wissenschaft
13 Die Zukunft gehört der Bioenergie
26 Synchrotronlicht 27 Neutronen
14 Stahl im Alter
15 Stahl in Kernkraftwerken
15 Kühlwasser muss rein sein
16 Informationen speichern
17 Magnetische Materialien
17 Feinste Strukturen
28 Myonen 29 SwissFEL
31 Das PSI in Kürze 31 Impressum 31 Kontakte
Umschlagbild An der neuen Grossforschungsanlage SwissFEL kann das PSI Materialforschung mit völlig neuartigen Experimenten betreiben. 3
Wie sich magnetische Domänen in einem Material anordnen, spielt bei der magnetischen Datenspeiche rung eine grosse Rolle. Am PSI nutzen die Forschenden die FotoemissionsElektronenmikroskopie, um die Domänen, kleine Bereiche eines Materials, abzubilden. 4
Materialien bestimmen den Fortschritt Die Urgeschichte wird eingeteilt in die Stein-, Bronze- und Eisenzeit. Mit jedem neuen Material machte die Menschheit einen Entwicklungsschritt. Wer heute einen Computerchip oder eine Batterie für ein Elektroauto entwickeln will, muss die Materialien genau verstehen. Forschende am PSI untersuchen die Strukturen bis ins kleinste Detail, bis hin zu den einzelnen Atomen. So resultiert aus der heutigen Grundlagenforschung die Technologie von morgen.
Diamant ist das härteste Material, das
derselben Substanz. Im 18. Jahrhundert
Der Unterschied besteht im Wechsel
auf der Erde natürlich vorkommt. Grafit
glaubte dies noch niemand. Bis 1796
spiel der Kräfte zwischen den Atomen
hingegen ist so weich, dass es als Blei
der englische Chemiker Smithson Ten
im Material. Verantwortlich für dieses
stiftmine verwendet wird. Wenn wir
nant einen Diamanten verbrannte und
Wechselspiel sind die Elektronen, die
schreiben, wird der Grafit vom Papier
dabei feststellte, dass nur Kohlendi
so die Eigenschaften des Materials
abgerieben. Das Erstaunliche ist nun,
oxid (CO2) entsteht – dasselbe Gas, das
festlegen. Und dies spiegelt sich in der
dass sowohl Diamant als auch Grafit
auch beim Verbrennen von Grafit ent
Struktur wider: Im Diamant binden sich
aus Kohlenstoff bestehen, aus ein und
weicht.
die Kohlenstoffatome starr in alle Rich tungen. Im Grafit hingegen sind es lose
Reiner Kohlenstoff C
Schichten, ähnlich wie in Schiefer gestein. Die Schichten haften kaum aneinander. Entsprechend leicht ist es, Grafit zu zerreiben. Tennant wusste dies noch nicht, denn unter einem normalen Lichtmikroskop sieht man die Atome nicht. Erst als die Röntgenstrahlen entdeckt wurden, be gannen die Wissenschaftler, die Mate rialien genauer zu analysieren. Wenn Röntgenstrahlen auf eine Probe treffen,
Grafit
Diamant
werden sie in ganz bestimmte Richtun gen abgelenkt. Aus dem resultierenden Muster kann die Anordnung der Atome, also die Struktur des Materials, be stimmt werden.
Weiches Material
Sehr hartes Material
Trotz ihrer ganz unterschiedlichen Eigenschaften bestehen Grafit (Bleistift mine) und Diamant beide aus Kohlen stoff. Der Unterschied liegt lediglich in der Art, wie die Atome untereinander verbunden sind, also in der Struktur des Materials. 1 nm (Nanometer) entspricht einem millionstel Millimeter.
5
Wissenschaftlerinnen des PSI an einer Anlage, an der mithilfe eines Lasers dünne Schichten von unter schiedlichen Materialien hergestellt werden können.
Röntgenstrahlen als Mikroskop
rialien. Das PSI ist eines von nur zwei
Katalysatoren beschleunigen
Forschungsinstituten weltweit, die alle drei Methoden– Röntgenlicht, Neutro
Ein anderes Beispiel aus dem Automo
Am PSI werden Materialien noch heute
nen und Myonen – an einem Ort bereit
bilbereich ist der Katalysator. Im Motor
mit Röntgenstrahlen untersucht. Der
stellen.
entstehen bei der Verbrennung Kohlen
Apparat ist allerdings grösser als der
Die Wissenschaftler kommen aus der
monoxid sowie Stickoxid und Schwe
jenige bei einem Zahnarzt: Das Rönt
ganzen Welt, um in der Schweiz am PSI
feldioxid; letztere führen zu saurem
gengerät des PSI, der Speicherring der
ihre Materialproben zu untersuchen.
Regen.Der Autokatalysator wandelt
Synchrotronlichtquelle Schweiz SLS,
Besonders aktuell sind Forschungspro
diese Stoffe in ungiftige Gase um, bevor
hat einen Umfang von knapp 300 Me
jekte aus dem Energiebereich: Bei
sie durch den Auspuff in die Umwelt
tern und ist entsprechend leistungsfä
spielsweise sollen Lithiumionen-Batte
gelangen. Dank dem Autokatalysator
hig. Röntgenlicht eignet sich aber nicht
rien für künftige Elektroautos verbessert
und einer katalytischen Vorbehandlung
für alle Materialien. Beispielsweise
werden. Die Materialien für neue Batte
der Treibstoffe gibt es in der Schweiz
werden Proben in einer anderen Gross
rien werden am PSI getestet und analy
und in weiten Teilen Europas keinen
forschungsanlage mit Neutronen be
siert, mit dem Ziel, die Reichweite der
sauren Regen mehr. Trotzdem wird er
schossen, um die Strukturen zu unter
Elektroautos und die Lebensdauer der
am PSI weiter optimiert. Denn es ste
suchen. Während Röntgenstrahlen von
Batterien zu erhöhen. Das heisst aber
cken Edelmetalle wie Platin oder Sel
Metall stark gedämpft werden, sind
nicht, dass das PSI marktreife Batterien
tene Erden darin. Je weniger davon
einige Metalle für Neutronen fast trans
herstellen oder verkaufen würde. Im
verwendet wird, desto günstiger wer
parent. Wasser hingegen bremst Neu
Labor werden oft nur kleinste Proben
den die Produkte. Allenfalls liesse sich
tronen. Das exotischste Teilchen, das
untersucht und neue Materialien entwi
sogar ein neues Material für Katalysa
die Forscher am PSI zur Materialfor
ckelt. Die Fabrikation der kompletten
toren finden.
schung verwenden, ist das Myon. Sie
Batterie bleibt der Industrie vorbehal
Katalysatoren stecken nicht nur in Au
untersuchen damit magnetische Mate
ten.
tos. Es sind grundsätzlich Stoffe, die
6
eine chemische Reaktion beschleuni
Ob ein Graphen-Computer sich jemals
Reaktionen laufen aber zu schnell ab,
gen, aber selber nicht verbraucht wer
realisieren lässt, ist ungewiss. Im Mo
als dass man sie beobachten könnte.
den. Sie werden in vielen chemischen
ment arbeiten die Wissenschaftler an
Zudem gibt es biologische Proben, die
Prozessen eingesetzt. Ja sogar in einem
einzelnen Transistoren. Ein Compu
schlicht zu klein sind, um in den beste
weitverbreiteten Herstellungsverfahren
terchip besteht aber aus Milliarden
henden Anlagen analysiert zu werden.
zur Produktion von Diamanten! Denn
davon. Von der ersten Idee bis zu einem
Beide Probleme soll eine neue Gross
die Industrie hat einen hohen Bedarf
Produkt dauert es in der Materialfor
anlage lösen: der SwissFEL. Dieses
an Diamanten, um damit zu schneiden,
schung oft Jahrzehnte. Zum Vergleich:
Gerät wird mit kurzen Röntgenpulsen
bohren oder schleifen. Unter hohem
Die Transistoren, die heute in den Com
arbeiten, die stark auf einen Punkt fo
Druck und hoher Temperatur wandelt
putern stecken, wurden in den 1950er-
kussiert sind. Damit könnten Wissen
sich Grafit in künstliche Diamanten um.
Jahren entwickelt.
schaftler sogar sichtbar machen, wie
Verwendet man einen Katalysator, rei
komplexe Moleküle in einer menschli
chen geringere Drücke und Temperatu ren. So verbraucht die Herstellung
chen Zelle funktionieren. Die Mediziner
Reaktionen beobachten
weniger Energie und wird preiswerter.
Langer Zeithorizont
hoffen, mit dem Wissen neue Medika mente entwickeln zu können.
Etwas können die Forschenden am PSI
Beim Bau des SwissFEL schliesst sich
noch nicht: Sie können nicht verfolgen,
der Kreis der Materialforschung: Die
wie sich eine molekulare Struktur oder
Linse, die die Röntgenstrahlen fokus
die Position der Atome in einem Mate
siert, muss extrem widerstandsfähig
Die erwähnten Beispiele aus der Mate
rial in Echtzeit verändern. So träumen
sein. Ein gutes Material dafür wäre
rialforschung dienen dazu, ein beste
sie etwa von der künstlichen Fotosyn
Diamant.
hendes Produkt oder einen Herstel
these. Die Pflanzen machen uns vor,
lungsprozess zu verbessern. Die
wie es möglich wäre, Energie aus Son
Technologien sind nahe am marktreifen
nenlicht zu nutzen. Die chemischen
Produkt, auch wenn es oft Jahre dauert, bis man als Kunde profitiert. In anderen Forschungsprojekten arbeiten die Wis senschaftler nicht direkt an konkreten Produkten, sondern haben erst Ideen, wie das neue Material eines Tages ge nutzt werden könnte. Hier werden die Grundlagen erforscht. Ein Beispiel da für ist Graphen. Es besteht, wie Dia mant und Grafit, aus Kohlenstoff, hat aber wieder eine andere Struktur und besteht aus einer einzelnen Lage von Kohlenstoffatomen. Diese Lage ist sehr reissfest, hundertmal zäher als Stahl. Und die Elektronen bewegen sich dar auf so schnell, dass ein Computer mit einem Graphen-Chip zehn- bis hundert mal schneller als heutige Prozessoren wäre.
Fresnel-Linse, entwickelt zur Fokussie rung der SwissFEL-Röntgenlichtpulse. Die Diamantschicht wurde mit litho grafischen Verfahren strukturiert, um das Fokussieren zu ermöglichen. 1 µm (Mikrometer) entspricht einem tausendstel Millimeter. 7
Lithiumionen-Batterien
Mit einem Elektronenmikroskop untersuchen die Forschenden am PSI das Altern der Lithium ionen-Batterien nach vielen Lade- und Entladezyklen.
Die Elektroautos der Zukunft fahren mit
senfertigung hergestellt und damit
men. In den Laptop-Batterien befindet
Lithiumionen-Batterien. Forscher am
billig wurden, setzten sich die Benzin
es sich deshalb in Form von Lithium
PSI verbessern die Materialien und
motoren durch.
metalloxid in einer der beiden Elektro
helfen Firmen aus der Automobilindu-
Aufgrund der Klimaerwärmung und der
den. Die andere Elektrode besteht aus
strie, die Prototypen der Batterien zu
beschränkten Reserven an Erdöl ist
Grafit. Wenn man die Batterie lädt,
analysieren und zu testen.
heute das Elektroauto wieder im Ge
wandern Lithiumionen durch eine Salz
spräch. Allerdings nicht mit Bleibatte
lösung zur Grafit-Schicht, wo sie sich
Um 1900 fuhren in New York doppelt
rien. Diese sind für die erwünschte
anhäufen. Wird die Batterie entladen,
so viele Autos, die Strom tankten, als
Reichweite nach wie vor zu schwer. In
wandern die Ionen wieder zurück.
Fahrzeuge mit Benzinmotoren. Die
Mobiltelefonen und Laptops haben
Bleibatterien waren zwar schwer und
sich Lithiumionen-Batterien durchge
erlaubten nur Reichweiten von 50 Kilo
setzt. Lithium ist ein leichtes Metall,
metern pro Tag. Doch damals reichte
das chemisch das grösste Potenzial
dies, weil die Strassen ausserhalb der
zum Speichern von elektrischer Energie
Beim Laden dehnt sich die Grafit-
Stadt zu schlecht waren. Erst als die
hat. In seiner reinen Form reagiert es
Schicht jedes Mal um rund 10 Prozent
Agglomeration besser erschlossen
aber heftig mit Wasser und darf auch
aus. Bis vor einigen Jahren beschränkte
wurde und die Benzinmotoren in Mas
nicht mit Sauerstoff in Berührung kom
dieses ständige Dehnen und Schrump
8
Lebensdauer ist beschränkt
Lithiumionen wandern beim Laden der Batterie von der positiven Elektrode in die Schichten der nega tiven Grafitelektrode. Beim Entladen erfolgt der umgekehrte Prozess.
fen die Lebensdauer von LithiumionenBatterien auf wenige hundert Lade- und Entladezyklen. Erst als die Forscher diesen Vorgang erkannten und die Gra fitschicht stabilisierten, war eine Le bensdauer möglich, wie sie für Elek troautos verlangt wird. Noch heute arbeiten Wissenschaftler des PSI an neuen Materialien für Lithi umionen-Batterien. Unter dem Raster elektronenmikroskop kontrollieren sie
breit. Die Elektronen, die auf die Proben
und Forscher ans PSI. Sie untersuchen,
die Alterung des für die Elektrode ver
der Batterien «geschossen» werden,
wie die Lithiumionen in die Schichten
wendeten Materials. Ein feiner Strahl
sind viel kleiner als die Wellenlänge des
wandern und dort gespeichert werden.
von Elektronen tastet die Oberfläche
sichtbaren Lichts.
Dies geschieht einerseits mit Röntgen
ab. Der Bildschirm zeigt an, wo wie viele
strahlen an der Synchrotronlichtquelle
Elektronen zurückgeworfen werden. Ein
Schweiz SLS, anderseits mit Neutronen
gewöhnliches Mikroskop können die
Einzigartige Kombination
Forscher nicht einsetzen. Die Wellen
an der Schweizerischen SpallationsNeutronenquelle SINQ. Denn ausge
länge des normalen Lichts ist zu gross
Das PSI ist eines der wenigen Labors
rechnet Lithiumatome sind für Rönt
für die feinen Strukturen im Material.
weltweit, die Lithiumionen-Batterien
genstrahlen praktisch durchsichtig,
Dies wäre, als ob man mit einer grossen
während des Ladens und Entladens
weil sie so leicht sind. Für Neutronen
Spraydose eine Postkarte schreiben
durchleuchten können. Aus der ganzen
ist das Lithium hingegen gut sichtbar.
wollte – der Farbstrahl wäre schlicht zu
Welt kommen deshalb Forscherinnen
Das PSI arbeitet einerseits an der Ver besserung von heute im Markt vorlie genden Batteriekonzepten. Anderseits arbeiten die Forscher an zukünftigen Technologien, die in 10 oder 20 Jahren
Wissenschaftlerin bei der Herstellung einer Grafitelektrode. Die schwarze Schicht aus Grafit wird flüssig aufgetragen, verteilt und getrocknet. Diese Grafitelektrode nimmt in der Batterie beim Ladevorgang die Lithiumionen auf und speichert somit die Energie.
auf den Markt kommen werden. Bei spielsweise Lithium-Schwefel-Batte rien, deren Prinzip im Labor bereits gezeigt werden konnte. Die Technologie mit dem grössten Potenzial wäre die Lithium-Luft-Batterie. Die Forschung ist zwar erst wenig fortgeschritten, aber Ladekapazitäten um einen Faktor 10 höher als bei den heutigen Lithiumio nen-Batterien wären theoretisch mög lich. Dies entspräche einem Elektro fahrzeug mit einer Reichweite von rund 500 Kilometern.
9
Brennstoffzellen für das Auto Heutige Elektroautos fahren mit einer
gen. Sie werden über eine Elektrode
stoff wie ein Schwamm: Nur wenn er
Batterieladung 100 bis 150 Kilometer
abgeführt und fliessen als elektrischer
etwas feucht ist, kann er die Protonen
weit. Mit Brennstoffzellen kann die
Strom auf die andere Seite. Dieser
in der Wasserhülle aufnehmen und
Reichweite vergrössert werden. For-
Strom treibt den Motor des Fahrzeugs
durchleiten. Eine trockene Membran
scher am PSI entwickeln alltagstaug-
an. Das Prinzip wurde erstmals in den
kann dies nicht. Das wäre, als ob man
liche Materialien und Konzepte.
1960er-Jahren für die Weltraummissio
einen schmutzigen Tisch mit einem
nen der NASA technisch genutzt.
trockenen Lappen aufwischen wollte. Die Herausforderung ist also, die Kunst
Um das Jahr 2000 wurde die Brenn
stoffmembran in einer Brennstoffzelle
stoffzelle als Antrieb für das Auto von morgen gefeiert. Die Experten gingen
Kunststoffmembran trennt
davon aus, dass spätestens 2005 erste
mit 20% Feuchtigkeit zu sättigen, egal ob der Fahrer mit Vollgas oder im Leer
Brennstoffzellen-Autos auf dem Markt
Das Kernstück der Brennstoffzelle ist
lauf fährt. Nun besteht aber ein Brenn
erhältlich sein würden. Dem war leider
die Membran aus Kunststoff. Darin ent
stoffzellensystem aus einem Stapel von
nicht so. Die Systeme funktionierten
haltene winzige Kanäle befördern die
Hunderten von Membranen. Die Feuch
zwar zuverlässig in den Labors, im All
Protonen, die von Wassermolekülen
tigkeit muss gleichmässig verteilt wer
tag auf der Strasse zeigten sich aber
umgeben sind. Dabei wirkt der Kunst
den.
Probleme: Das häufige Starten und Stoppen im Stadtverkehr beanspruchte die Systeme stark. Statt eine Lebens dauer von mindestens 200000 Kilo metern zu erreichen, mussten die Brennstoffzellen frühzeitig ausge tauscht werden. Bei Temperaturen tief unter dem Gefrierpunkt gefror zudem das Wasser, das als Endprodukt in der Zelle entsteht. Wer aber ein Auto kauft, will auch in den Skiferien bei –20 °C losfahren können. Wasserstoff ist der Treibstoff für die Brennstoffzellen. Er wird nicht wie in einem konventionellen Motor ver brannt, sondern kontrolliert mit Sauer stoff zur Reaktion gebracht. Zuerst wird der Wasserstoff (H2) in einzelne Atome getrennt. Dabei verliert jedes Atom ein Elektron. Der nackte Kern des Wasser stoffatoms (H+), ein sogenanntes Pro ton, durchdringt nun eine Kunststoff membran. Auf der anderen Seite der Membran kommt es mit dem Sauerstoff (O2) in Kontakt und bildet dabei Wasser (H2O). Die Elektronen können den iso lierenden Kunststoff nicht durchdrin 10
Forschende am PSI untersuchen nicht nur Materialien für Brennstoff zellen, sondern entwickeln auch komplette Systeme, die in Fahrzeugen getestet werden.
Querschnitt durch eine Polymer elektrolyt-Brennstoffzelle: Das Was serstoffgas als Treibstoff und die Feuchtigkeit für den Transport durch die Membran müssen gleichmässig in der Brennstoffzelle verteilt werden. H2O
Neutronen-Imaging Wie macht man die Feuchtigkeit in ei
H2 O - Elektrode (Kathode)
O2 H - Elektrode (Anode)
Elektrolyt
nem geschlossenen Metallgehäuse
sie für kurze Zeit die Bremsenergie und beschleunigen später das Fahrzeug. Forscher des PSI-Labors für Elektro chemie, die an den Brennstoffzellen
sichtbar? Das PSI hat das Gerät dazu:
arbeiten, entwickeln ebenso die Tech
Die Forscher durchleuchten, ähnlich
Feuchtigkeit in den Zellen verteilt ist.
nologie und Materialien für Superkon
einem Röntgenbild, die ganze Brenn
Einige der weltweit tätigen Autokon
densatoren.
stoffzelle. Sie verwenden hierzu aber
zerne kommen deshalb ans PSI. Eine
Dass heute noch keine Brennstoffzel
keine Röntgenstrahlen, sondern Neut
andere Frage, die die Forscher beschäf
len-Autos breit auf dem Mark eingeführt
ronen. Treffen diese auf Wasser, wer
tigt, ist die Porosität der Brennstoffzel
wurden, liegt nicht mehr hauptsächlich
den sie abgebremst und absorbiert,
len-Membran. Dazu analysieren sie
an den technischen Herausforderun
das Metall hingegen passieren die
auch die atomare Struktur der Memb
gen. Vielmehr ist der Preis zu hoch.
Neutronen fast ohne Verlust – ganz im
ran an der Synchrotronlichtquelle
Statt die Kunststoffmembran mit teu
Gegensatz zu Röntgenstrahlen. Aus
Schweiz SLS.
ren, speziellen Verfahren herzustellen,
dem resultierenden Bild können die
Um die Brennstoffzelle für die Praxis fit
arbeitet das PSI deshalb an einer Mem
Entwickler nachvollziehen, wo die
zu trimmen, reicht es nicht, nur die
bran mit herkömmlichen Plastikfolien,
Das Innere einer Brennstoffzelle: Das Bild zeigt die Feuchtigkeitsver teilung. Es wurde mit Neutronen aufgenommen, die vom Wasser (blau dargestellt) stark abgebremst und absorbiert werden.
Membran
Gaskanal Gasdiffusionsschicht
Membran zu verbessern. So gefriert bei
wie sie für Gewächshäuser verwendet
tiefen Temperaturen nicht etwa das
werden. Durch ein paar zusätzliche
Wasser in der Membran, sondern das
Verarbeitungsschritte wird die Folie zur
Wasser, das beim chemischen Prozess
Brennstoffzellen-Membran. Mittler
entsteht und die Zellen als Abfallpro
weile sind sich die Experten einig, dass
dukt verlässt. Um dieses Problem zu
bezahlbare und alltagstaugliche
lösen, muss das ganze System mitein
Brennstoffzellen-Fahrzeuge in wenigen
bezogen werden. Ein weiterer Punkt ist
Jahren erhältlich sein werden.
das schnelle Bereitstellen der Leistung beim Start-und-Stop-Verkehr, was für die Zellen ein Problem ist. Dieses kann mit Superkondensatoren entschärft werden. Wie eine Batterie speichern 11
Katalysatoren für Energie und Umwelt Strenge Emissionsgrenzwerte sorgten in den letzten Jahren für eine rasante Entwicklung von Abgaskatalysatoren. Doch Katalysatoren sorgen nicht nur für saubere Luft auf den Strassen, sondern sie verbessern auch viele chemische Prozesse. Katalysatoren kennt man vom Auto. Bei der Verbrennung von Benzin, Diesel oder anderen Kraftstoffen entstehen auch Kohlenmonoxid und Stickoxide. Diese können mit einem Katalysator in ungiftige Stoffe umgewandelt werden. Weniger bekannt ist, dass Katalysato ren auch verbreitet in der Chemie ein gesetzt werden. Als Katalysator be zeichnet man einen Stoff, der die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion erhöht, ohne dabei selbst verbraucht zu werden. Man schätzt,
Wissenschaftler am PSI suchen nach Katalysatoren, die beispielsweise die Umwandlung von Biomasse in Methan ermöglichen.
dass bei der Herstellung von mehr als 80 % aller chemischen Produkte ein Katalysator verwendet wird. Bei der idealen Katalyse werden die Ausgangs stoffe möglichst vollständig umgewan delt, es sollen keine unerwünschten Nebenprodukte entstehen. Ausserdem wird möglichst wenig Energie ver braucht. Das wäre der Inbegriff nach
Verbrennungsabgas eingebracht, das
stoff gewonnen, der – bekannt unter
haltiger Technologie. Oftmals machen
mit den Stickoxiden auf dem Katalysa
dem Namen AdBlue – als wässerige
Katalysatoren chemische Prozesse je
tor zu Stickstoff reagiert. Zunächst wur
Lösung getankt wird. In Nutzfahrzeugen
doch technisch erst möglich.
den SCR-Katalysatoren in Kraftwerks
ist dieses Verfahren seit 2005 etabliert.
anlagen eingesetzt, deren Abgase
Forscher am PSI machen Versuche mit
gesäubert werden mussten. Erst Ende
neuen Katalysatormaterialien und an
der 80er-, Anfang der 90er-Jahre rück
deren Substanzen anstelle des Ammo
Vom Kraftwerk zum Auto
ten Dieselfahrzeuge in den Fokus der
niaks. Grund für die rege Forschungs
Ein aktives Forschungsgebiet in der
Forschung. Heute liegt hier sogar der
tätigkeit sind die immer strikteren
Abgasnachbehandlung ist die selektive
Schwerpunkt, denn hier ist das Stick
gesetzlichen Abgasgrenzwerte. Diese
katalytische Reduktion, das soge
oxid-Problem am dringendsten und die
können bei grösseren Dieselfahrzeu
nannte SCR-Verfahren, wie es bereits
Anforderungen sind am höchsten.
gen nur noch mit dem SCR-Verfahren
heute in vielen Lastwagen eingesetzt
Im Fahrzeug wird das Ammoniak nicht
eingehalten werden.
wird. Dabei wird Ammoniak ins heisse
direkt eingesetzt, sondern aus Harn
12
Die Zukunft gehört der Bioenergie
serstoff und Wasser. Ohne Katalysator
Am PSI befassen sich Katalyseforscher
ist die Fotosynthese. Die Pflanzen brau
aber nicht nur mit der Abgasnachbe
chen dafür Wasser, Kohlendioxid (CO2)
handlung. Ein Ziel der Wissenschaftler
und Sonnenlicht. Daraus gewinnen sie
ist es, aus Biomasse, also nachwach
Kohlenhydrate, die als Energieträger
senden Rohstoffen, Energie zu gewin
dienen, und Sauerstoff. Weltweit arbei
nen, und zwar aus solchen, die nicht
ten Wissenschaftler daran, die Fotosyn
mit der Lebensmittelproduktion kon
these künstlich nachzuahmen. Dabei
kurrieren. Dazu suchen sie nach Kata
werden Katalysatoren aus Nickel und
lysatoren, die beispielsweise die effi
Kobalt eingesetzt, die mithilfe von Son
ziente Umwandlung von Biomasse in
nenlicht die Spaltung von Wasser in
Methan ermöglichen. Es sollen keine
Sauerstoff und Wasserstoff ermögli
Nebenprodukte entstehen und die Re
chen und die später in einer Brennstoff
aktion soll bei möglichst tiefen Tempe
zelle in elektrische Energie umgewan
raturen ablaufen, damit der Energie
delt werden können.
aufwand gering bleibt.
Noch ist uns die Natur in der Fotosyn
Um Biomasse zu Methan zu konvertie
these um einiges voraus und so sind
ren, wird sie am PSI unter hohem Druck
die Wirkungsgrade der künstlichen
auf bis zu 380 °C aufgeheizt und dann
Fotosynthese recht bescheiden. Es
über einen Katalysator aus Ruthenium
steht aber ausser Frage, dass Bioener
geleitet. Unter diesen Bedingungen
gie und künstliche Fotosynthese wich
kann sie zu rund 45 % in Methan um
tige Themen sein werden, wenn die
gewandelt werden. Der Rest wird zu den
Erdölreserven zurückgehen. Auf lange
Nebenprodukten Kohlendioxid, Was
Sicht wird Biomasse eine wichtige Koh
wäre diese Umwandlung nicht möglich. Eine andere Art der Energiegewinnung
lenstoffquelle für die Gewinnung von chemischen Produkten und Kraftstof fen darstellen. Weil auf diesem Gebiet 1 cm
erst seit 15 bis 20 Jahren intensiv ge forscht wird, rechnen die Wissenschaft ler hier noch mit Überraschungen, was das Potenzial der Methode anbelangt.
Unterschiedliche Katalysatoren beschichtet auf keramischen Waben körpern (ganz links unbeschichtet). Je nach chemischer Zusammen setzung des Katalysators variiert die Farbe. 13
Stahl im Alter Stahl hält Brücken und Gebäude zu-
207 Stahlbügel, die die Betondecke
wuchsen diese Risse, bis rund ein Vier
sammen. Von der Autokarosserie bis
hielten, gerissen war. Entgegen ersten
tel der Bügel komplett durchgerostet war
zum Druckgefäss im Kernreaktor wird
Vermutungen war es aber nicht
– ohne dass man es von aussen gese
der Werkstoff breit eingesetzt. Um die
Baupfusch oder schlechter Unterhalt,
hen hätte.
Sicherheit zu garantieren, müssen
die zum Einsturz führten. So setzte der
Die Haarrisse lassen sich nicht mit dem
Stahlkonstruktionen allerdings regel-
Architekt sogar nicht rostenden Chrom
Rost vergleichen, den man etwa am
mässig geprüft werden, denn auch
stahl ein, weil die Bügel der feuchten
Auto findet. Rostet normaler Stahl, ver
Stahl altert.
Luft im Hallenbad ausgesetzt waren. Die
färbt sich die Oberfläche rot und blät
chlorhaltige Luft führte aber zu feinsten
tert ab. In Uster führte Spannungsriss
Haarrissen im Stahl. Über die Jahre
korrosion zum Einsturz: Kleinste Risse,
Am 9. Mai 1985 stürzte die Decke im Hallenbad Uster (ZH) ein und begrub die
die man nur unter dem Mikroskop
Schwimmer unter sich, die am späten
sieht, wachsen, wenn der Stahl unter
Abend noch im Wasser waren. Es stellte
Zugspannung steht und Chlor das rost
sich heraus, dass ein grosser Teil der
freie Metall angreift.
Forschende am PSI untersuchen das Verhalten von Stahl unter verschiede nen Umgebungsbedingungen.
14
Mit dieser Anlage wird Stahl bei Verhältnissen geprüft, wie sie im Kernkraftwerk vorkommen. Die Resultate fliessen in mathematische Modelle ein, mit denen die Sicherheit und damit die Lebensdauer der Kernanlagen eingeschätzt werden kann.
Stahl in Kernkraftwerken Diese unsichtbaren Risse beschäftigen auch Wissenschaftler am PSI, die sich mit der Sicherheit von Kernanlagen beschäftigen: Der Stahl in einem Atom kraftwerk ist dem heissen Kühlwasser
lenschädigung und den zukünftigen
In den 1980er-Jahren erkannten die
und radioaktiver Strahlung ausgesetzt,
Versprödungsgrad des Druckgefässes.
Wissenschaftler diese Zusammen
die ebenso zu Spannungsrisskorro
Der an sich einfache Versuch wird aller
hänge und seitdem wird das Kühlwas
sion, aber auch zu einer Versprödung
dings erschwert durch die Radioaktivi
ser für Kernkraftwerke noch sorgfältiger
des Stahls führen können. Wie im Hal
tät: Dicke Wände aus Beton und Fenster
aufbereitet. Im Vergleich zu Trinkwasser
lenbad Uster lässt sich der Zustand
aus Bleiglas schützen die Wissen
enthält es mindestens 1000-mal weni
eines Reaktorgefässes nicht von aus
schaftler vor der Strahlung. Über Robo
ger Chloratome. Gleichzeitig werden
sen beurteilen. Die Haarrisse sieht man
terarme manipulieren sie das Metall.
neue Schweissverfahren angewendet,
häufig erst unter dem Mikroskop im
die nicht zu einer Zug-, sondern zu ei
Labor, wenn eine Stahlprobe aufge
ner Druckspannung an der Metallober
schnitten wird. In den Anlagen werden
Kühlwasser muss rein sein
deshalb regelmässig Ultraschall- und
fläche führen. Dies verhindert ebenfalls die Spannungsrisskorrosion.
Wirbelstromprüfungen durchgeführt,
Weitaus häufiger als im Reaktorgefäss
Um Korrosion zu vermeiden, werden
um mögliche Haarrisse zu entdecken,
entsteht Korrosion an Schweissnähten
heute also nicht etwa grundlegend
bevor sie eine für die Sicherheit kriti
der Kühlleitungen. Ein Grund dafür ist,
neue Materialien verwendet. Ein scho
sche Grösse erreichen.
dass jede Schweissnaht zu mechani
nender Betrieb, bei Kernanlagen etwa
Die Experten am PSI können den Zu
schen Spannungen führt: Das Metall
bezüglich Kühlwasser und Temperatur
stand der Stähle in den Schweizer
schmilzt beim Schweissen und zieht
sprüngen, sowie die fachgerechte und
Atomkraftwerken gut abschätzen. Beim
sich beim Abkühlen zusammen. Diese
kontrollierte Verarbeitung der Stähle
Bau wurden beispielsweise Stahlpro
Zugspannung bleibt im Metall erhalten
sind entscheidend. So müssen bei
ben im Reaktorinnern in der Nähe des
und kann über die Jahre zu Spannungs
spielsweise Schweissnähte sorgfältig
Kerns platziert. Nach und nach werden
risskorrosion führen. Wie beim Hallen
geschliffen und poliert werden. Die
diese Proben entnommen und im Hot
bad Uster sind es unter anderem Chlor
Verarbeitung entscheidet mit, ob hier
labor des PSI getestet. Dabei werden
atome, die den Prozess beschleunigen.
nach 30 Jahren Risse auftreten werden.
mit einem Hammer gekerbte Metallpro
Das Chlor stammt vom Salz, das im
ben zerschlagen. Diese Tests liefern im
Kühlwasser in geringsten Mengen ent
Voraus einen Hinweis über die Strah
halten ist. 15
Informationen speichern
Mit Röntgenstrahlen der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS werden feinste magnetische Strukturen unter sucht.
Computer, Digitalkameras, MP3-Player
Lesekopf an eine beliebige Stelle ge
nur noch halb so breit und speichert
und Smartphones gehören heute zum
fahren werden kann, ohne dass das
mehr als ein Terabyte, das sind 100000
Alltag. Sie produzieren Unmengen von
Band vorwärts oder rückwärts gespult
bis 300000 Bilder.
Daten, die gespeichert werden müssen
werden muss.
Bei so viel Information auf so wenig
– sei es im Rechenzentrum oder zu
Die erste kommerzielle Festplatte von
Raum muss der Platz, auf dem ein
Hause auf der Festplatte.
IBM war 1956 so gross wie ein Schrank
einzelnes Bit – also eine einzelne In
und wog eine halbe Tonne. Als sich in
formation – gespeichert wird, immer
Der Computer speichert seine Informa
den 1980er-Jahren die Personal Com
kleiner werden. Je kleiner aber diese
tionen auf einer Festplatte. Vom Prinzip
puter verbreiteten, wurden die rund
Speicherzellen, desto grösser ist die
her funktioniert diese wie eine Ton
15 cm breiten Festplatten bereits in die
Gefahr, dass die Magnetisierung zufäl
bandkassette: Ein magnetisches Band
PCs eingebaut. Sie speicherten 10 Me
lig verändert wird, etwa durch Magnet
wird von einem Tonkopf ausgelesen.
gabyte. Dies entspricht der Daten
felder in der Umgebung oder sogar
Nur dass sich auf der Festplatte das
menge von ein bis drei digitalen Bil
durch die Wärme der Festplatte. Denn
magnetische Material auf einer sich
dern, wie sie eine heutige Kamera
Wärme bedeutet auf atomarer Ebene
drehenden Scheibe befindet und der
aufnimmt. Eine moderne Festplatte ist
nichts anderes als Bewegung.
16
Magnetische Materialien
sen, Kobalt oder Nickel. Die Spezialität
Forschungsinstitute, darunter das PSI,
Einfluss der einzelnen Metalle in den
Je nach Wellenlänge reagieren die Rönt
arbeiten deshalb an neuen magneti
verschiedenen Schichten zu messen.
genstrahlen mit Atomen unterschied
schen Materialien für Festplatten. Sie
Zudem können sie die feinen Struktu
licher Materialien. Entsprechend kön
sollen derart beschaffen sein, dass ein
ren und deren magnetische Ausrich
nen die Forscherinnen und Forscher mit
möglichst hohes Magnetfeld nötig ist,
tung am Bildschirm darstellen.
der Wahl der Wellenlänge gezielt die
um die magnetischen Strukturen auf der
Sie nutzen dazu Röntgenstrahlen aus
Magnetisierung von Eisen, Kobalt oder
Festplatte – in denen letztendlich die
der Synchrotronlichtquelle Schweiz
Nickel betrachten. Eine der Schwierig
gespeicherte Information liegt – zu än
SLS. Damit sie die dünnen Schichten
keiten liegt allerdings darin, dass die
dern. Typischerweise handelt es sich
messen können, werden schwache
Strukturen oft nur wenige Nanometer
bei solchen Materialien um Kombinati
Röntgenstrahlen
So
gross sind und die Form das magneti
onen von Eisen, Kobalt und Nickel, wozu
schwach, dass sie in der Luft nach
sche Verhalten beeinflusst. Zum Ver
noch weitere Stoffe beigemischt wer
wenigen Millimetern absorbiert wer
gleich: Im Schnitt wachsen unsere
den. Als dünne Filme werden verschie
den. Die Experimente finden deshalb
Haare pro Sekunde einige Nanometer.
dene Schichten gestapelt und so deren
unter Luftausschluss im Vakuum statt.
Um diese winzigen Strukturen zu un
magnetische Eigenschaften gezielt be
Die Röntgenstrahlen treffen auf das
tersuchen, kombinieren die Forscher
einflusst.
Material und lösen einzelne Elektronen
am PSI verschiedene mikroskopische
Dabei können sich die einzelnen Schich
aus den Atomen heraus. Diese Elektro
Methoden und verwenden modernste
ten ganz anders verhalten als das ge
nen werden mit einem Detektor gemes
nanolithografische Verfahren.
stapelte System insgesamt. Somit
sen und mit einer Software ausgewer
Die Wissenschaftler arbeiten nicht nur
verändert sich auch der Beitrag der
tet. Als Ergebnis erhalten die Forscher
daran, die Speicherzellen zu verklei
verschiedenen Atome, sei es nun Ei
ein Bild der magnetisierten Zellen.
nern, sie suchen auch Methoden, um
der Forschenden am PSI ist es, den
verwendet.
Feinste Strukturen
die Informationen schneller zu lesen und/oder zu speichern. Neuste Er kenntnisse zeigen, dass ein Laser die magnetische Ausrichtung einer Spei cherzelle verändern kann. Diese neuen Entwicklungen eröffnen ungeahnte Möglichkeiten, und die Computer der nächsten Generation werden uns kaum noch an die «guten alten PCs» erinnern.
Blick in die Hochvakuumkammer. Die Probe befindet sich hinter dem mittleren Fenster. Die vielen Anschlüsse und Fenster der Kammer erlauben die präzise Platzierung und Manipulation der Probe.
17
Spintronik für schnelle Computer In den 1920er-Jahren entdeckten Phy-
Spin trägt Information
siker den Elektronenspin. Heute, rund 90 Jahre später, wird der Effekt in Fest-
Statt Elektronen zu verdrängen, wollen
platten genutzt. Wissenschaftler lieb-
Wissenschaftler in den Computern von
äugeln damit, ganze Computer zu
morgen eine Eigenschaft der Elektronen
bauen, die auf diesem Effekt beruhen,
ausnutzen, die bisher nicht genutzt
denn Spintronik ist schnell und braucht wenig Energie. Informatiker sprechen schon mal vom Pizza-Ofen, wenn sie die 19-ZollSchränke meinen, in denen die Com puter in den Rechenzentren gestapelt sind. Nicht nur, weil die Computer darin die Form einer Pizzaschachtel haben, sondern auch, weil es so heiss wird wie in einem Ofen. Ein moderner Compu terchip entwickelt gleich viel Wärme wie eine Herdplatte auf der gleichen Fläche. Die Elektronik von morgen soll deshalb nicht nur kleiner und schneller werden, sondern in erster Linie weniger Energie verbrauchen. Dies geht aber nicht, ohne am fundamentalen Prinzip des Computers etwas zu ändern. Das wich tigste Element sind die Transistoren, die einen Strom schalten. Genau diese Transistoren erzeugen die Wärme: Um den Strom zu unterbrechen, verdrängen sie die beweglichen Elektronen in ei nem Stück Leitung auf dem Compu terchip. Jetzt kann kein Strom mehr fliessen. Verhält sich der Transistor passiv, kehren die beweglichen Elekt ronen zurück und der Strom fliesst wie der. Bei diesem ständigen Verdrängen und Zurückholen der Elektronen ent stehen Stromverluste, die in Wärme umgewandelt werden, sodass der Chip heiss wird.
18
Mit langsamen Myonen werden am PSI dünne magnetische Schichten analysiert.
In der Materialforschung werden auch ganz grundsätzliche Fragestellungen behandelt. In einer internationalen Zusammenarbeit beispielsweise, ob magnetische Monopole existieren und ob sich diese einzelnen «magnetischen Ladungen» frei bewegen könnten (in der Illustration rot und blau dargestellt). Diese Ergebnisse sind nicht nur rein konzeptionell von Interesse, sondern könnten auch die Grundlage für die Entwicklung zukünftiger auf Spintronik basierender elektronischer Geräte bilden.
wurde: den Spin. Bildlich gesprochen
und müssen den Spin ändern. So de
Myonen sind Elementarteilchen, die
dreht sich das Elektron in die eine oder
tektiert der Lesekopf die Magnetisie
künstlich hergestellt werden. Sie zer
andere Richtung um die eigene Achse.
rungsrichtung auf der Festplatte. Dieser
fallen nach wenigen Mikrosekunden.
Die beiden Zustände werden Spin-Up
Effekt mit dem Namen «Riesenmagne
Genau diesen Zerfall nutzen die Wis
oder Spin-Down genannt. Das Entschei
towiderstand» wurde 1988 von For
senschaftler: Das Myon bleibt in der
dende ist nun, dass der Spin nicht nur
schern in Deutschland und Frankreich
Materialprobe stecken und sein Spin
schnell verändert werden kann, sondern
entdeckt. 2007 gab es dafür den No
richtet sich am Magnetfeld aus. Dann
dass dieser Vorgang auch viel weniger
belpreis für Physik.
zerfällt es und sendet in die Richtung
Energie benötigt als notwendig ist, um
seines Spins ein Teilchen aus, das de
das Elektron zu bewegen. Die Wissen schaftler sprechen von Spintronik.
tektiert wird.
Nur am PSI langsam genug
Erste Spintronik-Elemente befinden
Mit Myonen arbeiten mehrere For schungsgruppen weltweit. Für magne
sich in jedem modernen Computer: im
Wissenschaftler arbeiten weltweit an
tische Schichten liegt die Schwierigkeit
Lesekopf der Festplatte. Ursprünglich
verbesserten Schichten für Leseköpfe
darin, genügend langsame Myonen
wurde hier eine kleine Drahtspule ge
und an transistorähnlichen Elementen,
herzustellen. Normale Quellen senden
nutzt, um magnetische Zellen auszule
woraus ein zukünftiger Computer her
zu schnelle Myonen, die zu tief ins
sen. Je kleiner aber die Zellen wurden,
gestellt werden könnte. Eine Schwie
Material eindringen. Zudem variiert die
desto kleiner wurden die Spannungen
rigkeit besteht darin, die Magnetisie
Eindringtiefe stark. Die Forscher am PSI
in den Spulen, die detektiert werden
rungsrichtungen in diesen komplexen
sind weltweit die Einzigen, die Myonen
mussten. Schliesslich war keine Mes
Schichtsystemen zu analysieren. Dar
herstellen können, die langsam genug
sung mehr möglich. Heute wird anstelle
auf hat sich das PSI spezialisiert: Die
sind, um die Schichten von Spintronik-
dieser magnetischen Induktion der
Forscher messen die Magnetisierung
Elementen zu analysieren. Entspre
Elektronenspin genutzt. Er richtet sich
in einer bestimmten Tiefe mithilfe von
chend häufig besuchen Forschungs
am Magnetfeld des Materials aus,
langsamen Myonen.
gruppen aus aller Welt die Anlage in
durch das sich das Elektron bewegt:
der Schweiz.
Die Elektronen werden zuerst im Lese kopf durch eine fest magnetisierte Schicht ausgerichtet. Dann bewegen sie sich durch eine Schicht, die die Magnetisierungsrichtung der Speicher zelle übernimmt. Ist diese Schicht gleich ausgerichtet wie die Elektronen, passieren sie ohne nennenswerten Widerstand. Ist die Schicht hingegen in die andere Richtung ausgerichtet, werden die Elektronen leicht gehindert
Innenleben eines spintronischen Bauteils. Die beiden äusseren Schichten sind magnetisiert, der elek trische Strom fliesst von links nach rechts. Wenn rechte und linke Schicht entgegengesetzt magnetisiert sind, muss der Spin der Elektronen (als Kügelchen dargestellt) auf dem Weg umklappen, was den Stromfluss bremst und als elektrischer Wider stand erscheint. 19
Die Kabel der Zukunft Seit 100 Jahren sind Supraleiter be-
Supraleitende Materialien leiten Strom
cher als flüssiges Helium. Das eröffnet
kannt. Weil das Phänomen nur bei sehr
ohne Widerstand. Dazu müssen sie
ein weites Feld von Anwendungen.
tiefen Temperaturen auftritt, blieben
unter ihre sogenannte Sprungtempe
Anwendungen lange der Forschung
ratur abgekühlt werden. Diese liegt je
vorbehalten. Mit der Entdeckung der
nach Material bei bis zu –269 °C. So
Hochtemperatur-Supraleitung 1986
tiefe Temperaturen erreicht man durch
rückte die Hoffnung auf neue industri-
Kühlung mit flüssigem Helium. Das ist
Ein wichtiges Anwendungsgebiet für
elle Anwendungen wieder in den
aber aufwendig und teuer.
Supraleiter sind starke Elektromagnete,
Vordergrund. Doch noch ist der Mecha-
Im Forschungslabor der IBM Schweiz
wie sie auch in einigen Beschleuniger
nismus, der zur Hochtemperatur-Sup-
in Rüschlikon wurden 1986 die ersten
anlagen des PSI zum Einsatz kommen.
raleitung führt, nicht vollständig ver-
Hochtemperatur-Supraleiter entdeckt.
Beispielsweise für die Produktion der
standen. Somit fehlt die wichtige
Ein bekannter Vertreter dieser Klasse
Protonen zur Behandlung von bestimm
Grundlage, mit der gezielt nach neuen,
ist Yttrium-Barium-Kupferoxid mit einer
ten Krebserkrankungen (Protonenthe
besseren Supraleitern gesucht werden
Sprungtemperatur von –180 °C. Inter
rapie).
kann.
essant daran ist, dass die Temperatur
Die in diesen Elektromagneten zum
über dem Siedepunkt von Stickstoff
Einsatz kommenden Magnetspulen
(–196 °C) liegt. Flüssiger Stickstoff ist
werden aus kilometerlangen und nur
billiger und in der Handhabung einfa
wenige Mikrometer dünnen Supralei
Mit Neutronen sind Forscher des PSI den Geheimnissen der Hochtempera tur-Supraleitung auf der Spur.
20
Supraleiter im Einsatz
Die Supraleitung manifestiert sich auch im Meissner-Effekt, durch den der mit einem Supraleiter beladene Modellzug über einem Magneten schwebt.
terfäden hergestellt. HochtemperaturSupraleiter bestehen aber aus kerami schem Material, sind also spröde und schwierig zu verarbeiten. Deshalb ver wendet man für Elektromagneten klas sische Tieftemperatur-Supraleiter, die aus Metalllegierungen bestehen. Die Spulen werden in sich geschlossen,
kann sich der Einsatz von teuren Sup
nen, die so das Material widerstands
und der Strom kann unendlich lange
raleiterkabeln lohnen.
los passieren können. Im Gegensatz zur Tieftemperatur-Supraleitung ist bei
und verlustfrei seine Runden drehen.
der Hochtemperatur-Supraleitung noch
Zum Laden der Spule wird ein kurzes Teilstück über die Sprungtemperatur
Dem Phänomen auf der Spur
geheizt. Über Zuleitungen wird ein
unklar, wie es zu dieser «Absprache» kommt. Dass dabei ein Wechselspiel
Strom eingespeist. Wenn die ge
Während klassische Tieftemperatur-
zwischen Supraleitung und Magnetis
wünschte Stromstärke erreicht ist, wird
Supraleiter heute gut verstanden sind,
mus eine wichtige Rolle zu spielen
das Teilstück wieder gekühlt und so der
ist das Phänomen der Hochtemperatur-
scheint, darin sind sich die Forscher
Kreis wieder geschlossen. Um das Ma
Supraleitung noch nicht abschliessend
mittlerweile schon fast sicher. Um das
gnetfeld zu erhalten, muss nur regel
geklärt. Forscher am PSI untersuchen
besser zu verstehen, stapeln Forscher
mässig flüssiges Helium nachgefüllt
Supraleiter, um besser zu verstehen,
am PSI abwechselnd verschiedene
werden, wie das in der Praxis bereits
wie sie aufgebaut sind. Dazu schiessen
Schichten von Supraleitern und Mag
geschieht: Ein Beispiel sind Geräte zur
sie beispielsweise Neutronen auf Ma
neten. Diese Proben werden mit Neu
Magnetresonanztomografie (MRI), wie
terialproben und können so die Posi
tronen, Myonen oder Röntgenstrahlen
sie in der Medizin eingesetzt werden.
tion der Atome und die elektronischen
auf ihre Eigenschaften untersucht. Mit
Eine weitere Eigenschaft, die man sich
Eigenschaften des Supraleiters bestim
den neuen Erkenntnissen hoffen die
zunutze machen kann, ist die hohe
men. Bei normalen Leitern entsteht der
Wissenschaftler, dem Phänomen der
Stromdichte von Supraleitern. Um den
elektrische Widerstand durch Kollisio
Hochtemperatur-Supraleitung auf die
gleichen Strom zu transportieren wie
nen der Elektronen im Material. Als
Spur zu kommen und so die Grundlage
mit einem Kupferdraht, kann ein Sup
Vergleich kann hier die Situation her
zu schaffen, um die Eigenschaften von
raleiter mit viel geringerem Querschnitt
angezogen werden, wie sie auf einer
Supraleitern gezielt zu verbessern.
eingesetzt werden. Solche Kabel aus
stark befahrenen, mehrspurigen
Denkbar sind Materialien mit noch
Hochtemperatur-Supraleitern können
Hauptverkehrsachse durch Zürich,
höheren Sprungtemperaturen, die ein
mit Stickstoff gekühlt werden. Berück
ohne Verkehrssignalisation, entstehen
facher und kostengünstiger gekühlt
sichtigt man die Isolation der Kabel
würde. Immer wieder müssten Ver
werden könnten. Als ferne Vision bleibt
inklusive Kühlung, übertragen sie noch
kehrsstreifen aufgrund von Unfällen
der Traum, überall dort Supraleiter ein
immer die fünffache Strommenge im
gesperrt werden, und es käme zu
zusetzen, wo heute normale Kabel zum
Vergleich zu einem gleich dicken Kup
Staus. Anders sieht es aus mit Ver
Einsatz kommen und unnötig viel Ener
ferkabel. Allerdings sind sie rund
kehrssignalisation. Es kommt zu einer
gie in Wärme verloren geht. Der Strom
sechs- bis achtmal teurer. Seit April
«Absprache»: Die Autos fahren alle
könnte verlustfrei über grosse Distan
2008 liegen 660 Meter eines solchen
zusammen los, verhalten sich im bes
zen transportiert werden und liesse
Kabels in den USA auf Long Island, New
ten Fall als Kollektiv und profitieren so
sich auf einfache Weise speichern.
York im Stromnetz. In Metropolen ist
von der «grünen Welle» an der Ampel.
Zwei Aspekte die heute in der Nutzung
für zusätzliche Kupferleitungen oft
Ähnlich kommt es in Supraleitern zu
erneuerbarer Energien grosse Heraus
schlicht kein Platz mehr vorhanden. Da
einer «Absprache» unter den Elektro
forderungen darstellen. 21
Magnete unter Spannung Computer der Zukunft werden immense Speicherkapazität auf kleinstem Raum bieten. Daten wird man viel schneller abrufen können, und nach einem Stromausfall wird niemand Daten vermissen, sie werden erhalten bleiben. Forscher arbeiten heute an den Grundlagen für solche Systeme. Mit dem Kompass – eine der ältesten Anwendungen – war Ferromagnetismus schon im alten China bekannt. Ferroma gnetische Werkstoffe sind zunächst nicht magnetisch, sie lassen sich aber in einem starken äusseren Magnetfeld magnetisieren. Wird das Feld wieder entfernt, bleibt ein Teil der Magnetisie rung im Material erhalten – so richtet sich später die magnetisierte Kompass nadel nach dem Erdmagnetfeld aus. Derselbe Effekt wird auf Festplatten in Computern ausgenutzt, um Information zu speichern und wieder auszulesen. Neben dem Magnetismus existieren noch weitere ferroische Phänomene, beispielsweise Ferro- oder Piezoelektri zität. Eine bekannte Anwendung des piezoelektrischen Effekts ist das Piezo feuerzeug: Durch Betätigung des Tasters
üblicherweise nicht zusammen vor
messbar. Erste Forschungsprojekte
wird ein Stössel auf einen Piezokristall
kommen. Die Wissenschaftler stellen
fanden bereits vor 50 Jahren in der
geschlagen. Durch die Verformung des
sich folgende Fragen: Gibt es trotzdem
ehemaligen Sowjetunion statt. Damals
Kristalls entsteht eine Spannung von bis
Materialien, sogenannte Multiferroika,
haben Physiker Materialien untersucht,
zu 15 Kilovolt, die sich über zwei mit dem
die beide Eigenschaften vereinen? Und
bei denen Magnetismus und Ferroelek
Kristall verbundene Metallkontakte ent
wenn ja: Wie stark ist der Effekt und ist
trizität zusammen vorgekommen sind.
lädt – es entsteht ein elektrischer Funke,
er für Anwendungen nutzbar? Dabei ist
Der gefundene Effekt war allerdings
der das aus dem Feuerzeug ausströ
der magnetoelektrische Effekt beson
sehr klein und dadurch für Anwendun
mende Gas entzündet.
ders interessant: Mit einer elektrischen
gen nicht interessant genug.
Spannung kann die magnetische Ord
Allgemein wären Speichermedien eine
nung verändert werden – und umge
mögliche Anwendung dieser multifer
kehrt, mit einem magnetischen Feld die
roischen Materialien. Auf einer her
Eigenschaften kombinieren
ferroelektrische Ordnung. Wenn man
kömmlichen Festplatte werden Infor
Magnetismus und Ferroelektrizität sind
also das Material in ein Magnetfeld
mationen in Bits gespeichert. Man
Materialeigenschaften, die in der Natur
bringt, ist eine elektrische Spannung
kann sich jedes Bit als winzigen Stab
22
Nebst Messungen an Grossanlagen werden Materialien am PSI auch mit optischen Methoden untersucht, wie hier an einem Ramanspektro meter.
Magnetfeld erzeugt oder detektiert
Einzelnen untersucht werden sollen.
werden muss. Das funktioniert viel
Im Falle dünner Schichten stellen die
schneller als das Schreiben in her
sehr kleinen Materialvolumen – etwa
kömmlichen Festplatten und braucht
100000-mal kleiner als ein einzelner
weniger Energie. Zudem würden die
Wassertropfen – eine grosse Heraus
beweglichen Teile in einer Festplatte
forderung für die Messungen dar. Zu
wegfallen. Es wären keine schnell ro
sätzlich sind die meisten dieser Mate
tierenden, vibrationsempfindlichen
rialien Isolatoren, was bedeutet, dass
Scheiben mehr nötig.
man den elektrischen Widerstand nicht einfach messen kann. Aus diesen Grün den muss diese Klasse von Materialien
Die Forschung steht am Anfang
auch an Grossanlagen mit Neutronen,
Für ihre Untersuchungen verwenden
elektronische Eigenschaften und den
die Wissenschaftler am PSI neben di
Magnetismus zu erhalten.
cken Proben auch dünne Filme multi
Die Forschung auf diesem Gebiet ist
ferroischer Materialien, abhängig da
noch jung. Doch wenn die Wissen
von, ob man diese in der einen oder
schaftler in naher Zukunft verstehen
anderen Form überhaupt herstellen
werden, wie das vielfältige Zusammen
kann und welche Eigenschaften im
spiel zwischen Magnetismus und Fer
Myonen oder Röntgenstrahlung unter sucht werden, um Aufschluss über
roelektrizität in diesen Materialien zustande kommt, werden sie in der Lage sein, gezielt Materialien mit neuen Eigenschaften herzustellen. Das könnte völlig neue Anwendungen er möglichen. magneten vorstellen. Wenn der Nord pol nach oben zeigt, ist es eine digitale Eins, zeigt er nach unten, eine digitale Null. Auf einer Festplatte befinden sich Milliarden solcher Bits. Die Daten
Auf Einkristallen aufgebrachte dünne Schichten. Die multiferroischen Materialien werden mit gepulster Laserabscheidung auf das Substrat aufgebracht und für die nachfolgende Messung präpariert.
werden mit einem Strom über einen magnetischen Schreib-Lesekopf ein geschrieben oder ausgelesen. Multi ferroika besitzen dieselbe Grundstruk tur, mit dem Unterschied, dass die magnetischen Bits hier durch das An legen einer elektrischen Spannung beeinflusst werden können. So kann der Speicher direkt beschrieben und ausgelesen werden, ohne dass ein 23
Auf die Details im Innern kommt es an
Eine interessante Materialeigenschaft
In einer Vakuumkammer werden mit hilfe eines Lasers Teilchen aus einem Material herausgeschlagen. Auf ihrem Weg vom Material zum Probenträger (von links nach rechts) strahlen die Teilchen grünes Licht aus.
Atome und Elektronen – geschieht. Die
zu entdecken, ist das eine. Sie auch zu
Fachleute nennen dies die Bestimmung
verstehen, ist das andere. Für die Ex-
der statischen und dynamischen Struk
perimente, mit denen man den Eigen-
tur des Materials. Und dafür wiederum
schaften auf den Grund geht, benötigt
brauchen sie einen passenden Unter
man das Material in Reinform, denn
suchungsgegenstand – eine Probe.
kleinste Abweichungen von der Ideal-
Eine solche herzustellen ist gar nicht
struktur können sein Verhalten grund-
gen interessant machen – etwa die
einfach, denn sie darf nur gerade das
legend verändern. Man muss also
Fähigkeit der Supraleiter, Strom ganz
Material enthalten, das interessiert.
Proben herstellen können, in denen
ohne elektrischen Widerstand zu lei
Man will nur die Eigenschaften dieses
Milliarden von Milliarden von Materie-
ten. So nützlich diese Eigenschaften
Materials sehen und nicht diejenigen
bausteinen genau nach dem vorgege-
sind, ist es oft unklar, wie sie genau
einer anderen beigemischten Subs
benen Bauplan angeordnet sind. Und
zustande kommen. Um das Geheimnis
tanz. Dabei kommt es nicht nur darauf
das ist eine Kunst für sich.
zu entschlüsseln, studieren Forschende
an, dass man die richtigen Bestandteile
die Vorgänge im Inneren des Materials
nutzt, sie müssen auch genau nach
Es sind ihre neuartigen Eigenschaften,
und beobachten, was auf der Ebene
Bauplan angeordnet sein. Denn jede
die neue Materialien für die Anwendun
der kleinsten Bausteine – einzelner
kleine Abweichung kann unerwünschte
24
Blick in das ca. 40 cm breite Innere eines Spiegelofens zur Herstellung von grossen Einkristallen. Mithilfe von fokussiertem Licht wird ein im Zentrum eingespannter polykristalliner Zylinder geschmolzen, aus dem ein Einkristall entsteht.
Effekte hervorrufen. Höchstens einige wenige Bausteine unter einer Milliarde dürfen verkehrt sein. Das ist so, als tolerierte man in einer Bibliothek mit mehreren tausend Bänden nur einige
einzelnen Minikristallen elektrischen
wenige Tippfehler, ansonsten die ge
Strom ausbremsen, sodass man über
samte Bibliothek wertlos würde.
sieht, dass das Material den Strom an
Perfekte Kristalle züchten
Dünne Schichten schaffen Abhilfe
sich hervorragend leitet. In diesen Fäl
Auf diese Weise einen grossen Einkris
len brauchen die Forschenden Einkris
tall zu züchten, funktioniert nicht im
talle – also grössere Stücke des Mate
mer. Es gibt Materialien, bei denen die
rials, in denen sich die Kristallstruktur
Schmelze zu flüssig ist. Andere schmel
Forschende haben viele Verfahren ent
ungestört fortsetzt. Ein Weg, einen
zen erst bei sehr hohen Temperaturen.
wickelt, um die passenden Proben
solchen Einkristall herzustellen, be
So schmilzt Gallium bereits unterhalb
herzustellen – zum Beispiel, um Kris
steht darin, mit einem kleinen Zylinder
von 30 Grad Celsius, Wolfram erst ober
talle zu erzeugen. Wobei sie jedes Ma
aus polykristallinem Material – etwa in
halb von 3400 Grad. Um dennoch kris
terial als Kristall bezeichnen, in dem
der Grösse eines Filzstifts – anzufan
talline Proben aus diesen Materialien
die Bausteine in einem regelmässigen,
gen. In diesem schmilzt man mithilfe
untersuchen zu können, wählen die
sich wiederholenden Muster angeord
sehr intensiven Lichts zunächst eine
Forschenden einen anderen Weg – sie
net sind. Gewöhnlich bestehen kristal
dünne Schicht am äussersten Ende und
machen sehr dünne Schichten.
line Materialien aus vielen kleinen
lässt diese langsam wieder fest wer
Auch hier beginnen sie mit einem Zu
Kristallen, die verschieden ausgerich
den. Dabei bekommen die Atome ge
stand maximaler Unordnung: Sie ver
tet sind – das gilt etwa für die Metalle,
nug Zeit, um sich in der idealen Kris
dampfen das Material. Hat man einen
aus denen viele Geräte aufgebaut sind.
tallstruktur anzuordnen. Dann schmilzt
hinreichend starken Laser, geht das bei
Um ein solches «polykristallines» Ma
man die nächste Schicht genau darü
jedem Material – auch bei Wolfram. Das
terial herzustellen, fangen die For
ber. Deren Atome fügen sich dann in
verdampfte Material setzt sich auf einer
schenden in der Regel mit einem Zu
die von der unteren Schicht vorgege
vorbereiteten, sehr flachen Unterlage
stand völliger Unordnung an – mit dem
bene Struktur ein. Hat man den ganzen
ab. Wenn man es richtig macht, orga
geschmolzenen Material, in dem kein
Zylinder Schicht für Schicht geschmol
nisieren sich die Atome in der regel
Atom an seinem Platz ist. Kühlt man
zen und abkühlen lassen, sollte man
mässigen Kristallstruktur von selbst.
dieses Material ab, ordnen sich die
darin schliesslich eine ideale durchge
Das Ganze geschieht natürlich im Va
Atome innerhalb ihrer Umgebung in der
hende Kristallstruktur vorfinden. Ein
kuum, damit sich keine Luftmoleküle
Kristallstruktur an. Die winzigen Kris
oftmals langwieriger Prozess, der
in die Probe drängeln. Das Ergebnis ist
talle, die dabei an verschiedenen Stel
schon mal zwei Wochen dauern kann.
ein sehr dünner Kristall – im besten Fall
len entstehen, wachsen in verschie
Am Ende hat man aber einen hervorra
mit 10000 Atomschichten – rund ein
dene Richtungen und passen – wenn
genden Kristall – zum Beispiel aus ei
tausendstel Millimeter dick, aber
sie aufeinandertreffen – nicht zusam
nem supraleitenden oder multiferroi
manchmal noch tausendmal dünner.
men.
schen Material. Dieser wird in der Regel
Damit lassen sich zwar nicht alle denk
Für viele Experimente reicht eine solche
in kleinere Stücke geschnitten, in deren
baren Experimente durchführen, Ver
polykristalline Probe völlig aus. Biswei
Inneres man mit Neutronen oder Syn
suche mit Synchrotronlicht, Neutronen
len ist die Unordnung aber schädlich,
chrotronlicht schauen kann.
oder Myonen funktionieren aber oft gut
denn sie kann die eigentlichen Eigen
und liefern Einblicke in Materialeigen
schaften des Materials verschleiern. So
schaften, wie sie etwa für die Spintro
können etwa die Grenzen zwischen den
nik oder die Supraleitung wichtig sind. 25
Die Werkzeuge der Wissenschaft Je kleiner die Strukturen, desto grösser
als die atomaren Abstände in einem
werden durch eine hohe Spannung
die Anlagen, um sie zu betrachten. Auf
Material. Mit normalem Licht sieht man
zwischen zwei Metallplatten beschleu
dem Gelände des PSI befinden sich
die Atome deshalb nicht, auch nicht mit
nigt. Im Fernseher erzeugt dieser Strahl
gleich vier einzigartige Grossfor-
den besten Vergrösserungslinsen. Die
von Elektronen das Bild auf dem Bild
schungsanlagen: die Synchrotronlicht-
Forscher und Forscherinnen am PSI set
schirm. In einem Röntgenapparat ist
quelle Schweiz SLS, die Schweizerische
zen deshalb die Synchrotronlichtquelle
die Spannung höher, und die Elektro
Spallations-Neutronenquelle SINQ, die
ein. Diese produziert für das Auge un
nen prallen auf ein Metallstück. Dabei
Schweizerische Myonenquelle SμS und
sichtbares Licht mit sehr kurzer Wellen
werden sie so stark abgebremst, dass
– als jüngste im Bunde – der Freie-
länge, sogenannte Röntgenstrahlung.
Röntgenstrahlung entsteht.
Elektronen-Röntgenlaser SwissFEL.
Röntgenstrahlen entstehen, wenn Elek
Für die Materialforschung ist die Rönt
tronen stark abgebremst werden. Zu
genstrahlung konventioneller Geräte,
Materialwissenschaftler haben das
erst müssen die Elektronen also auf
wie sie beispielsweise von Ärzten ver
Ziel, die Mechanismen grundsätzlich
eine hohe Geschwindigkeit beschleu
wendet werden, nicht für alle Zwecke
zu verstehen, die dazu führen, dass
nigt werden. Dies geschieht wie in ei
genügend intensiv. Auch deckt sie kei
Materialien ganz spezielle Eigenschaf
nem Röhrenfernseher: Elektronen, die
nen breiten, für viele Anwendungen
ten haben. Mit diesem Wissen können
einem glühenden Draht entspringen,
notwendigen Wellenlängenbereich ab.
sie neue Materialien entwickeln oder bestehende verbessern. Die PSIWissenschaftler bestimmen die Mate rialeigenschaften mit einer Vielzahl unterschiedlicher Werkzeuge, vom Ohmmeter zur Messung des elektri schen Widerstands bis zu Instrumenten zur Messung der optischen Eigenschaf ten eines Materials. Neben diesen in vielen Labors des PSI vorhandenen und teilweise hoch spezialisierten Messge räten benötigen die Forschenden auch Grossforschungsgeräte, ähnlich gigan tischen Mikroskopen, mit denen sich tief ins Material hineinschauen lässt. Denn letzlich werden die Eigenschaften eines Materials von der Anordnung der Atome und den Kräfteverhältnissen zwischen ihnen bestimmt. Die Fach leute sprechen von der statischen und dynamischen Struktur eines Materials.
Synchrotronlicht Der Wellenlängenbereich von sichtba rem Licht ist rund tausendmal grösser 26
In der Halle der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS.
Der Protonenbeschleuniger des PSI. Mithilfe seines Strahls werden die für die Experimente am PSI notwendigen Myonen und Neutronen erzeugt. Seit den 70er-Jahren hält er ungebrochen den Weltrekord des intensivsten Protonenstrahls.
acht Stunden zu kreisen. Dabei wird der Strahl schwächer, weil Elektronen verloren gehen, aber keine nachgelie fert werden. Das ist für Forschende unangenehm, denn sie müssen ihre Instrumente für viele Experimente stän dig nachjustieren. An der SLS hingegen werden die verlorenen Elektronen alle vier bis fünf Minuten durch neue er setzt, sodass die Intensität der Rönt genstrahlen kaum variiert. Daher werden die Elektronen für die
drehen sie im Innern einer Metallröhre
SLS auf beinahe Lichtgeschwindigkeit
ihre Runden, und zwar im Vakuum,
gebracht. Anschliessend werden sie in
damit sie nicht mit Luftmolekülen zu
einen Ring mit einem Umfang von
sammenstossen. Jeweils nach kurzen,
knapp 300 Metern eingespeist. Hier
geraden Strecken folgen Magnete, die
Neben der Röntgenstrahlung nutzten
die Elektronen kurz in eine andere Rich
die Wissenschaftler weitere Methoden,
tung zwingen, um sie insgesamt auf
die komplementäre Einblicke ins Ma
einer Kreisbahn zu halten.
terial erlauben. Leichte Elemente wie
Die Elektronen sind so schnell, dass
Wasserstoff oder Lithium sind für Rönt
die Ablenkung durch die Magnete
genstrahlen praktisch durchsichtig.
reicht, um Röntgenstrahlen – man
Nun bestehen aber gerade organische
spricht hier von Synchrotronlicht – zu
Materialien zu einem grossen Teil aus
erzeugen. Denn diese Ablenkung ist
Wasserstoff und Kohlenstoff. Auch das
auch eine Beschleunigung, die – wie
Lithium in den Lithiumionen-Batterien
bei der Kollision von Elektronen mit
lässt die Röntgenstrahlen fast ungehin
einem Metallstück im konventionellen
dert passieren. Hier behelfen sich die
Röntgenapparat – zur Röntgenstrah
Forschenden mit Neutronen, die auch
lung führt. Seit ein paar Jahren setzen
mit einigen sehr leichten Elementen
die Forscher am PSI noch raffiniertere
interagieren. Da sie elektrisch neutral
Beschleunigungsstrecken ein: Abwech
sind, ist für sie die negativ geladene
selnd angeordnete Magnete zwingen
Hülle der Atome durchsichtig. Erst
die Elektronen auf eine wellenförmige
wenn sie auf den kleinen, aber schwe
Bahn. Die Röntgenstrahlung wird da
ren Atomkern treffen, reagieren sie.
durch besonders intensiv.
Neutronen bilden zusammen mit Pro
Die Synchrotronlichtquelle am PSI hat
tonen die Atomkerne. Weil sie nur hier
gegenüber Anlagen in anderen For
vorkommen, müssen die PSI-Forscher
schungsinstituten den Vorteil, dass sie
sie über einen Umweg herstellen: Sie
den Wissenschaftlern einen dauerhaft
beschleunigen den nackten Kern eines
sehr stabilen Strahl zur Verfügung stel
Wasserstoffatoms, der nur aus einem
len kann. In vielen anderen Anlagen
einzelnen Proton besteht, und schies
wird der Elektronenstrahl einmal in den
sen diesen auf einen Bleiblock. Das
Speicherring eingebracht, um dort etwa
Proton kollidiert nun mit dem Kern
Neutronen
27
Blick in die Neutronenleiterhalle. Mit insgesamt 18 unterschiedlichen und oft weltweit einzigartigen Instrumenten, von denen die meisten den interessierten Nutzern aus aller Welt zur Verfügung stehen, lassen sich am PSI Materialien mit Neutronen untersuchen.
eines Bleiatoms, der aus vielen Proto
Myonen
schnell. Im Labor entstehen Myonen als Zerfallsprodukt nach einer Kollision
nen und Neutronen besteht. Der Kern beginnt so stark zu vibrieren, dass er
Myonen reagieren gegenüber Neutro
von Protonen mit Kohlenstoff.
mehrere Protonen und Neutronen ver
nen noch empfindlicher auf die Mag
Auch hier sind die Elementarteilchen
liert. Dadurch erhalten die Forschenden
netfelder innerhalb einer magnetischen
anfangs zu schnell und müssen abge
Neutronen.
Probe. Sie bleiben im Material stecken
bremst werden. Eine Spezialität des PSI
Die Neutronen sind für die Experimente
und besetzen leere Plätze zwischen den
sind extrem langsame Myonen. Es ist
aber noch zu schnell, deshalb befindet
Atomen. Nach einer Millionstelsekunde
weltweit das einzige Institut, das so
sich das Blei in einem Wassertank. Das
zerfallen sie und senden ein Teilchen
langsame Myonen herstellen kann. Sie
schwere Wasser (D2O) und in einem
nach aussen, das detektiert werden
werden zuerst von einer Silberfolie ge
zweiten Schritt flüssiger schwerer Was
kann. Nicht nur die Richtung, sondern
bremst und durchqueren dann eine
serstoff (D2) bremsen die Neutronen
auch die Stärke des Magnetfelds wird
Schicht aus gefrorenem Edelgas, bei
auf eine Geschwindigkeit ab, die für
so im Material in einer von der Ge
spielsweise Argon. Dieses wirkt wie die
die Experimente geeignet ist. Ähnlich
schwindigkeit des Myons abhängigen,
Menschenmenge im Hauptbahnhof
wie die Röntgenstrahlen werden nun
beliebigen Tiefe gemessen.
während der Stosszeit: Als Passant
die Neutronen auf eine Materialprobe
Zum Messen müssen Myonen künstlich
kann man sich nur von der Masse mit
gelenkt. Je nach Materialstruktur der
hergestellt werden, obwohl sie auch
tragen lassen, man kann weder schnel
Probe werden die Neutronen abgelenkt
natürlich vorkommen: Die energierei
ler noch langsamer laufen. So erhalten
und abgebremst. So erhalten die Wis
che Strahlung, die von der Sonne auf
die Myonen, die ursprünglich in ver
senschaftler Informationen über das
die Atmosphäre trifft, produziert stän
schiedenen Geschwindigkeiten unter
Material. Da sich Neutronen wie klein
dig Myonen, die auch die Erdoberflä
wegs waren, eine einheitliche Ge
ste Magnete verhalten, können sogar
che erreichen. Diese natürlichen Myo
schwindigkeit, und die Forscher können
Rückschlüsse auf den Magnetismus im
nen können aber nicht eingefangen
festlegen, in welche Tiefe die Myonen
Material getroffen werden.
und genutzt werden, sie zerfallen zu
in die Probe eindringen sollen.
28
SwissFEL
Zudem können in den drei Grossanla
primiert, dass sie sich als «Kollektiv»
gen SLS, SINQ und SμS keine ult
verhalten. Werden sie nun analog zur
Der Freie-Elektronen-Röntgenlaser Swiss
raschnellen Vorgänge beobachtet wer
SLS über eine Anordnung abwechselnd
FEL ist die jüngste Grossforschungsan
den, wie sie gerade bei den schnellen
angeordneter Magnete geschickt, sen
lage des PSI.
Schaltvorgängen der Multiferroika und
den sie Röntgenlicht aus. Anders als
Mit den Röntgenstrahlen der SLS, den
Spintronik-Materialien oder auch kata
bei einer Synchrotronlichtquelle erfolgt
Neutronen der SINQ und den Myonen
lytischen chemischen Reaktionen ab
dies nun aber quasi im «Gleichtakt».
der SμS können die meisten Materia
laufen. Die «Belichtungszeiten» sind
Die Röntgenstrahlung ist dadurch im
lien charakterisiert werden. Es gibt aber
zu lang.
Puls um ein Milliardenfaches stärker
Grenzen. Dies gilt insbesondere für
Sowohl das Problem mit den kleinen
als die Strahlung der SLS und verfügt
einige wichtige Moleküle, die die Funk
Proben als auch den ultraschnellen
über Eigenschaften, die bewirken, dass
tionsweise biologischer Zellen bestim
Vorgängen kann mit extrem intensiven
selbst kleinste Proben ein scharfes Bild
men. Kristalle dieser sogenannten
und sehr kurzen Röntgenlichtpulsen
erzeugen. Aufgrund der kurzen Pulse
Membranproteine lassen sich heute an
gelöst werden. Genau diese liefert der
können Momentaufnahmen ultra
der SLS bis zu einer Mindestgrösse von
Freie-Elektronen-Röntgenlaser Swiss
schneller physikalischer, chemischer
ca. einem Hundertstelmillimeter unter
FEL, die vierte und jüngste Grossfor
oder biologischer Vorgänge aufgenom
suchen. Leider lassen sich von den
schungsanlage des PSI. Die für die
men werden. Diese können dann zu
wenigsten in der Natur und im Men
Herstellung des Röntgenlichts verwen
einem Film zusammengesetzt werden,
schen vorkommenden Membranprote
deten Elektronen werden durch einen
den die Forscherinnen und Forscher
inen Kristalle in dieser Grösse herstel
sehr kurzen Laserpuls aus einem Me
später in Zeitlupe betrachten, um so
len. Und es ist gerade dieses Wissen
tallstück geschlagen. Die dabei entste
neue Kenntnisse für die Materialien
über die Struktur von Membranprotein-
henden Elektronenpakete werden in
künftiger Technologien zu gewinnen.
Molekülen, in das die Pharmaforschung
einem Linearbeschleuniger auf die
heute grosse Hoffnung setzt, um damit
erforderliche Endenergie gebracht und
neue Medikamente zu entwickeln.
über ausgefeilte Tricks so stark kom
Im Strahlkanal des Freie-ElektronenRöntgenlasers SwissFEL, der jüngsten Grossforschungsanlage des PSI, kurz vor dessen Inbetriebnahme. Zu sehen ist ein Teil des Linear beschleunigers. Der Linearbeschleu niger bringt die zuvor erzeugten Elektronen auf die erforderliche Endenergie. Erst dann kann das Röntgenlicht erzeugt werden.
29
Das Paul Scherrer Institut aus der Vogelperspektive.
30
Das PSI in Kürze Das Paul Scherrer Institut PSI ist ein Forschungsinstitut für Natur- und Ingenieurwissenschaften. Am PSI betreiben wir Spitzenforschung in den Bereichen Materie und Material, Energie und Umwelt sowie Mensch und Gesundheit. Durch Grundlagen- und angewandte Forschung arbeiten wir an nachhaltigen Lösungen für zentrale Fragen aus Gesellschaft, Wissenschaft und Wirtschaft. Das PSI entwickelt, baut und betreibt komplexe Grossforschungsanlagen. Jährlich kommen mehr als 2500 Gastwissenschaftler aus der Schweiz, aber auch aus der ganzen Welt zu uns. Genauso wie die For scherinnen und Forscher des PSI führen sie an unseren einzigartigen Anlagen Experimente durch, die so woanders nicht möglich sind. Die Ausbildung von jungen Menschen ist ein zentrales Anliegen des PSI. Deshalb sind etwa ein Viertel unserer Mitarbeitenden Postdoktorierende, Doktorierende oder Lernende. Insgesamt beschäftigt das PSI 2100 Mitarbeitende. Damit sind wir das grösste For schungsinstitut der Schweiz.
Impressum Konzeption/Texte/Redaktion Dagmar Baroke Dr. Thomas Lippert Thomas Meier Dr. Paul Piwnicki Guido Santner Dr. Thierry Strässle Fotos Scanderbeg Sauer Photography Frank Reiser Markus Fischer Roland Keller Gestaltung und Layout Monika Blétry Druck Paul Scherrer Institut Zu beziehen bei Paul Scherrer Institut Events und Marketing Forschungsstrasse 111 5232 Villigen PSI, Schweiz Telefon +41 56 310 21 11 Villigen PSI, Oktober 2018
Kontakte Forschungsbereichsleiter Forschung mit Neutronen und Myonen Dr. Alex Amato a.i. Tel. +41 56 310 32 32 alex.amato@psi.ch Forschungsbereichsleiter Photonenforschung Prof. Dr. Gabriel Aeppli Tel. +41 56 310 42 32 gabriel.aeppli@psi.ch Forschungsbereichsleiter Nukleare Energie und Sicherheit Prof. Dr. Andreas Pautz Tel. +41 56 310 34 97 andreas.pautz@psi.ch Forschungsbereichsleiter Energie und Umwelt Prof. Dr. Thomas J. Schmidt Tel. +41 56 310 57 65 thomasjustus.schmidt@psi.ch Leiterin Abteilung Kommunikation Dr. Mirjam van Daalen Tel. +41 56 310 56 74 mirjam.vandaalen@psi.ch
Paul Scherrer Institut :: 5232 Villigen PSI :: Schweiz :: Tel. +41 56 310 21 11 :: www.psi.ch
Materialen für die Zukunft_d, 10 /2021